内生硬质碳化物金属堆焊层抗磨性能与磨损机理学习体会

文献概况与核心发现

本文出自上海交通大学杨尚磊等人，发表于《摩擦学学报》2004年第24卷第6期，通过电弧冶金反应合成含TiC和VC硬质碳化物颗粒的金属堆焊层，并系统研究了其抗磨性能和磨损机理。研究采用MLD-10型动载荷摩擦磨损试验机进行磨损试验，利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析相组成、微结构和磨损表面形貌。

核心发现包括：含硬质碳化物颗粒的金属堆焊层具有良好的耐磨粒磨损性能，其单位面积磨损质量损失仅为EDZCr-C-15焊条相应金属堆焊层的约1/9；堆焊层基体组织为低碳马氏体，内生硬质碳化物颗粒弥散分布于基体组织中；硬质碳化物颗粒与低碳马氏体基体表现出良好的韧性和硬度复合效果。

电弧冶金反应合成机理

本文采用Fe-Ti、Fe-V、石墨和金红石等组分通过电弧冶金反应合成硬质碳化物颗粒，这一方法与传统的外加碳化物粉末混合有所不同。电弧冶金反应是在焊接电弧的高温作用下，利用反应物之间的化学反应原位生成碳化物颗粒，具有以下优势：

1. 碳化物颗粒与基体的结合更加牢固，因为颗粒是在基体凝固过程中同步生成的；
2. 颗粒尺寸和分布更加均匀，因为反应发生在熔池内部而非表面；
3. 避免了外加粉末可能带来的成分偏析问题。

反应机理涉及多个步骤：首先是Ti和V的氧化还原反应，然后是碳与金属原子的结合形成碳化物，最后是碳化物在凝固过程中的形核与长大。金红石（TiO2）作为氧化剂参与反应，为碳的氧化提供驱动力，同时生成的TiO2颗粒也对耐磨性能有贡献。

合成原料与产物对比

磨损机理分析

通过扫描电子显微镜观察磨损表面形貌，可以识别出主要的磨损机制。对于含硬质碳化物颗粒的金属堆焊层，磨粒磨损是主要的磨损形式。TiC和VC硬质颗粒的硬度远高于磨料颗粒，能够有效抵抗磨料的切削和犁沟作用。

磨损过程中，硬质颗粒与磨料之间的相互作用决定了磨损速率。当磨料硬度低于硬质颗粒时，磨料在颗粒表面滑动，仅对基体产生磨蚀作用；当磨料硬度接近硬质颗粒时，两者之间发生微切削，但由于硬质颗粒的支撑作用，基体的塑性变形受到限制。这种"硬质相支撑-基体承载"的复合机制是耐磨性能优异的根本原因。

与EDZCr-C-15焊条堆焊层相比，本文制备的堆焊层磨损质量损失仅为前者的约1/9，这一数量级的差异主要归因于硬质碳化物颗粒的弥散分布和与基体的良好结合。EDZCr-C-15中的碳化物颗粒虽然硬度高，但分布不均匀且与基体结合较弱，在磨损过程中容易发生剥落，导致基体暴露后加速磨损。

工程应用与工艺优化思考

在石油钻采、矿山机械和水泥工业中，耐磨堆焊层是延长设备使用寿命的关键技术。本文提出的内生硬质碳化物方法为耐磨堆焊提供了新的技术路线。在实际应用中，需要注意以下几点：

第一，电弧冶金反应对焊接参数敏感，电流过大可能导致碳化物颗粒溶解或粗化，电流过小则反应不充分。需要通过正交试验确定最佳焊接参数窗口。

第二，堆焊层的韧性同样重要。低碳马氏体基体虽然硬度适中，但在低温或冲击载荷下仍可能发生脆性断裂。可以通过合金化或热处理进一步改善韧性。

第三，多层堆焊时的层间结合需要重点关注。由于碳化物颗粒的存在，层间熔合可能受到影响，需要优化预热温度和层间温度。

本文的研究体现了"以合成代外加"的材料设计理念，通过原位反应获得性能更优的复合材料。对于从事耐磨堆焊技术工作的同行而言，理解内生碳化物的合成机理和磨损机制，有助于在配方设计和工艺优化中做出更加科学的决策，从而开发出性能更加优异的耐磨堆焊材料。